专利名称：浸没式光刻系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种制造半导体元件的系统，特别是有关于一种在光学镜片和基板间导入浸没流体的浸没式光刻技术系统。
背景技术：
在黄光光刻技术系统中，为了解析点、线或影像等高解析图案，黄光光刻技术必须具有高分辨率。在集成电路(IC)产业所使用的黄光光刻技术系统中，影像光源被投影在一层光阻上以画出电子单元的电路图。尽管黄光光刻技术已在IC产业中使用了数十年，但业界仍希望能将其用于50纳米以下的制造。因此，如何大幅改善黄光光刻制造技术的分辨率已经成为制作高密度、高效率半导体IC芯片所面临的最重要的课题之一。
对于光刻系统，其分辨率R由公式R＝k1λ/NA决定。其中，k1是光刻常数，λ是影像光源的波长，NA是数值孔径，由公式NA＝nsinθ计算得到，其中θ是系统中角的半开孔径，n是光刻系统和基材之间的材料的折射率。
通常，有三种方法可以用来调整光刻蚀刻的分辨率，以改善光刻技术。第一种方法是减小影像光源的波长λ。例如，使用氩氟准分子激光(λ＝193纳米)来代替G射线(λ＝436纳米)以缩减波长。近来，影像光源的波长已可缩减到157纳米，甚至减小到超紫外线(EUV)的波长。第二种方法是减小光刻常数k1的值，例如，使用相位移光罩和偏轴照射可以将k1的值由0.6减至0.4。第三种方法则是通过改善光学设计、制造技术和计量控制来提升数值孔径NA的值。目前，数值孔径NA的值已可由0.35增至约0.8。但是，上述改善分辨率的常用方法已经接近物理和技术极限。例如，NA的值(即nsinθ)受n的限制，如果使用的是具有自由空间(free space)的光学系统，则此时n等于1，即NA的上限是1。
相对于一般的光刻技术，近年来，浸没式光刻(immersionlithographic)技术已经发展到可以允许进一步增加NA(数值孔径)的值。在浸没式光刻技术中，基材被浸没在具有高折射率的液体或浸没流体下进行光刻制造，具有高折射率(n＞1)的流体会填满光刻系统最外侧的光学单元(例如透镜)和基材之间的空隙(原本由空气填充)，因此，利用此种方法，透镜可以具有大于1的NA值。全氟聚醚(PFPE)、环辛烷、去离子水(DI-water)等具有高折射率的流体，都可用于浸没式光刻技术中。由于NA值突破了原先的上限1，因此，与一般的光刻技术相比，浸没式光刻技术能够提供更为精密的光刻制造分辨率。
用于浸没式光刻技术的高折射率流体应该满足以下几项要求该流体对于所使用的具有特定波长的光线必须具有低的吸收系数；该流体必须具有适度高的折射率以修正整个系统的折射率；该流体必须与光学装置(镜头)和基板上的光阻具有化学上的相容性和良好的接触性。
以下总结了有关浸没式光刻技术的文件(1)公开号为US2002/0163629的美国专利Methods andapparatus employing an index matching medium。
(2)专利号为US5900354的美国专利Method for opticalinspection and lithography。
(3)专利号为US5610683的美国专利Immersion typeprojection exposure apparatus。
(4)专利号为US5121256的美国专利Lithography systememploying a solid immersion lens。
(5)J.A.Hoffnagle等。Liquid immersiondeep-ultraviolet interferometric lithography。J.VacuumScience and Technology B，Vol.17，No.6，pp3306-33091999。
(6)M.Switkes等。Immersion lithography at 157nm。J.Vacuum Science and Technology B，Vol.19，No.6，pp2353-2356，2000。
(7)专利号为US4346164的美国专利Photolithographicmethod for the manufacture of integrated circuits。
(8)专利号为US4509852的美国专利Apparatus for thephotolithographic manufacture of integrated circuitelements。
(9)专利号为US4480910的美国专利Pattern formingapparatus。
(10)专利号为US5900354的美国专利Method for opticalinspection and lithography。
(11)专利号为US5610683的美国专利Immersion typeprojection exposure apparatus。
因为浸没式光刻技术涉及到将光阻材料浸没在浸没流体中，因此浸没流体应该完全不和光阻材料发生反应或分解光阻材料。然而，传统的浸没流体却会和光阻材料反应或进一步分解光阻材料。
此外，在某些传统浸没式光刻技术中，一些浸没流体，例如水，会渗透于所浸没的光阻材料中，导致浸没于该浸没流体中的光阻材料膨胀并使得光阻厚度增加，降低后续制造的准确度。
因此，研究更好的浸没式光刻技术，从而限制光阻膨胀的程度并避免光阻材料分解，是半导体技术中一项急待解决的问题。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种在光学镜片和基板间导入浸没流体的浸没式光刻系统，避免感光材料被浸没流体分解，限制感光材料层的膨胀量。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种浸没式光刻系统，包含一个支撑台座；一个半导体元件基板，配置于所述支撑台座上，该半导体元件基板的上表面具有一层感光材料层，该感光材料层的厚度不大于5000；一个光学表面；以及一层浸没流体配置于所述感光材料层和光学表面之间，其中该浸没流体与所述感光材料层的上表面接触。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述浸没流体包含水。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述浸没流体是全氟聚醚、环辛烷或上述两种物质的混合物。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述感光材料层的厚度不大于3000。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述感光材料层的厚度不大于1000。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述光学表面包含氧化硅。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述光学表面包含熔硅。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述光学表面包含氟化钙。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述感光材料层包含化学增幅型光阻。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述半导体元件基板浸没在所述浸没流体中。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述支撑台座浸没在所述浸没流体中。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述浸没式光刻系统还包括一个用来曝光所述感光材料层的影像光源。
为了实现上述目的，本实用新型还提供一种浸没式光刻系统，包含一个波长小于或等于193纳米的影像光源；一个具有一光学表面的光学部件，该光学部件配置于所述影像光源的下面，使得从所述影像光源射出的光照射并穿越该光学部件；一个半导体元件基板，该半导体元件基板的上表面具有一层感光材料层，该感光材料层的厚度不大于5000，且穿越所述光学部件的光照射于该半导体元件基板上；以及一层浸没流体配置于所述感光材料层和光学表面之间，其中该浸没流体与所述感光材料层的上表面和所述光学表面的下表面接触。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述感光材料层的厚度不大于3000。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述感光材料层的厚度不大于1000。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述光学表面包含氧化硅。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述光学表面包含熔硅。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述光学表面包含氟化钙。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述感光材料层包含化学增幅型光阻。
根据本实用新型所述的浸没式光刻系统，所述浸没式光刻系统还包括一个配置于所述半导体元件基板下面的支撑台座。
本实用新型提供的浸没式光刻系统，感光材料层使用的是不受浸没流体影响而膨胀或膨胀幅度很小的阻障层，或是具有高渗透性或厚度较小的感光材料。因此，当感光材料层浸没在浸没流体时，感光材料层能够不膨胀或迅速膨胀至最大值，使各处的厚度保持一致，从而确保感光材料层在同一状态下进行曝光，提高了后续制造过程的准确度和成品率。
图1是浸没式光刻技术系统的示意图。
图2a、2b和2c是浸没流体扩散入感光材料层的示意图。
图3是感光材料层的膨胀厚度与浸没时间的关系曲线。
图4是半导体结构上的每一区块在浸没流体中具有不同浸没时间的示意图。
图5是不同种类感光材料层的膨胀程度与起始厚度的关系曲线。
图6是在感光材料层上覆盖一层阻障层以防止浸没流体扩散至感光材料层的浸没式光刻系统的示意图。
具体实施方式
以下是本实用新型的较佳实施例，用来说明本实用新型浸没式光刻系统。
图1是浸没式光刻技术系统10的示意图。该浸没式光刻技术系统10包含一个影像光源20，该影像光源20发射一束光能量束21，依次通过透镜22、遮罩30、光学元件模块40和具有一光学表面51的最外层透镜50。在一个较佳实施例中，透镜50由氧化硅(或其它含硅和氧的材料)、熔硅(fused silica)或氟化钙形成。在另一较佳实施例中，影像光源20的波长以450纳米以下为佳，尤其是小于等于193纳米，例如157纳米或193纳米。
在浸没式光刻技术系统10中，最外层透镜50与半导体基板80之间的空间由浸没流体60填充。该半导体基板80的上表面由一层感光材料层(或光阻)70所覆盖，使浸没流体60与感光材料层(光阻层)70直接接触，如图1所示。此外，晶圆支撑台座85用来支撑半导体基板80。
浸没流体60的较佳选择是包含水的流体。例如，该流体可以是纯净水或去离子水。在本实用新型的另一实施例中，该浸没流体60可以是环辛烷或是全氟聚醚(PFPE)，或与其它流体的混合液。
此外，该感光材料层(光阻层)70可以是由聚分子结构组成的正光阻，该光阻层经曝光后溶解于显影液中，而未经曝光的部份则不溶于显影液。对正光阻而言，适用的显影液可以是四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液。
在一个较佳实施例中，半导体元件基板80可以是其上形成有集成电路的半导体基板。例如，半导体元件基板80可以是一个具有晶体管的硅晶基板(例如，单晶硅基板或硅覆绝缘板)，而半导体元件基板80的各单元之间可以由金属层相互连接。
感光材料层70可以是光阻层或是其它遮罩材料。在一个较佳实施例中，感光材料层70可以被图形化为十分小的尺寸，该具有十分小尺寸的图形化感光材料层可用来作为，例如，形成多晶硅线(或是其他传导材料)的蚀刻罩幕，还可用来制作长度在50纳米以下的金属氧化物半导体(MOS)闸极。此外，金属导线(如铜金属镶嵌线)可以在一介电层的沟槽内形成。例如，该介电层(未显示于图中)可由氧化硅(如SiO2、FSG、PSG和BPSG)蒸镀在晶圆80上形成。利用该感光材料70作为遮罩，在该介电层内形成沟槽(未显示于图中)，接着填充传导层，然后填平沟槽。
图2a、2b和2c是浸没流体扩散入感光材料层70的示意图。如图2a所示，浸没流体60具有一上表面61，并通过介面71和感光材料层70接触，最外层透镜50通过光学表面51与浸没流体60接触。在本实用新型的一个较佳实施例中，浸没流体60是水，但其他诸如环辛烷和全氟聚醚(PFPE)也可作为浸没流体在本实用新型中使用。形成于半导体基板80上的感光材料层70具有一起始厚度di。当部分感光材料层70在一定剂量的光能量下曝光时，该感光材料层70已曝光的区域会产生光催化剂。该具有产生光催化剂能力的感光材料层70可以使用化学增幅型(CA)光阻，它被广泛应用于193纳米和157纳米波长的光刻技术中。
如图2a所示，当浸没流体60刚导入感光材料层70上时(即时间等于零时)，感光材料层70的厚度是di。当浸没流体60逐渐扩散进入感光材料层70时，浸没流体60扩散进入感光材料70的速度取决于浸没流体60和感光材料70的种类。
如图2b所示，当浸没流体60扩散进入感光材料70时，会导致感光材料层70膨胀。在图2b中，浸没流体60的扩散前缘75由虚线表示。该浸没流体60朝扩散方向79(如箭头所示)逐渐扩散进入感光材料层70中(如图2b的扩散前缘75所示)，感光材料层70逐渐膨胀，厚度增加。如图2b所示，感光材料层70的厚度已经从原本的di膨胀到d2。
该浸没流体60进一步扩散进入感光材料70时，会促使扩散前缘75继续下移，并且随着感光材料层70浸没在浸没流体60的时间的增加，更多的浸没流体60扩散至感光材料层70，从而使感光材料层70进一步膨胀。如图2c所示，当扩散前缘75到达位于感光材料层70和基板80之间的介面时，感光材料层70的膨胀厚度达到最大值df，这时感光材料层70无法进一步膨胀。
在浸没式光刻系统中，感光材料层70的厚度随其浸没在浸没流体60的时间的增加而增厚。不同厚度的感光材料层70(较厚的感光材料层70a和较薄的感光材料70b)，其厚度与浸没在浸没流体中的时间的关系如图3所示。在浸没时间为零时，感光材料的起始厚度为di，当浸没流体60很快渗进感光材料层70并朝下扩散至感光材料层70与半导体基板80之间的介面时，其厚度随时间呈线性增加(膨胀)。例如，当扩散前缘75到达感光材料层70和基板80之间的介面时，其时间对较厚的感光材料70a而言接近5(任意时间单位)，该较厚的感光材料70a会达到最后厚度df。在图3中，时间单位是任意单位。在实际的浸没式光刻系统中，图3中的时间单位约为60秒。
最后厚度df和起始厚度di之差是感光材料层70的膨胀量。由图3可知，较厚感光材料层70a的膨胀量也较大。因此，较厚感光材料70a被浸没流体60渗透而膨胀的问题也较为严重。在本实用新型的实施例中，较薄感光材料的膨胀较小，并且膨胀至最后厚度df时所用的时间也较短，也就是说，较薄感光材料层70b利用较短的浸没时间到达最后厚度。由于浸没流体60扩散进入感光材料层70会导致感光材料层70性质的改变，因此感光材料层70的起始厚度越厚，膨胀至最后厚度df所需的浸没时间越长，且较长的浸没时间将使感光材料层70的性质严重改变。
如图4所示，半导体基板(或晶圆)80通常被分为多个区块(blocks)86(例如芯片区或芯片组区1’至10’)。在本实用新型的一个较佳实施例中，每一区块86包含一个或多个集成电路。当在半导体基板80上形成集成电路图时，光刻技术系统通常会在一定时间内在区块86执行“逐一曝光(step-and-expose)”步骤。例如，标记为1’的区块首先被曝光，然后光刻系统对标记为2’的区块进行曝光，依此类推。如图4的箭头所示，“逐一曝光”步骤通常以光栅扫描方式(raster scan manner)进行。当“逐一曝光”步骤应用于浸没式基板(或晶圆)时，标记为1’的区块会在第一时间t1曝光，标记为2’的区块会在第二时间t2曝光。而上述作法意味着当多个区块86依序曝光时，各区块86上感光材料层70的膨胀程度各不相同。
在本实用新型的一个较佳实施例中，当每个区块86曝光后，基板80上所有区块86的感光材料层70会膨胀到相同的程度。这样可确保感光材料层70在同一状态下进行曝光，从而增加其一致性并提高成品率。本实用新型用来确保所有区块86上的感光材料70具有相同膨胀程度的方法，是使用足够薄的感光材料层70。如图3所示，该薄感光材料70只需一较短的时间即可达到最后厚度df，且该感光材料的膨胀量较小。通过使用足够薄的感光材料70，即使当基板80上第一区块1’曝光时，其曝光前的厚度也可达到最后厚度df。
由图3可知，当感光材料层70a和70b膨胀到最后厚度时，该最后厚度df约为起始厚度di的两倍。如图5所示，较薄感光材料层70b的膨胀量(即df-di)以“第一材料M1”表示。在本实用新型的另一较佳实施例中，一较适用的感光材料，其膨胀量(df-di)小于该感光材料的起始厚度di。因此，通过调整感光材料70的聚合物组成，可以改变或进一步减少最后膨胀的程度。
如图5所示，在一固定的起始厚度di下，第二材料M2的膨胀程度比第一材料M1小，第三材料M3的膨胀程度比第二材料M2小。在本实用新型的一个较佳实施例中，感光材料层的膨胀量(df-di)被限制在约1000以内，因此光刻技术系统的聚焦深度仍处于合理的范围内。在较佳实施例中，感光材料层70的厚度的较佳值为小于5000，更佳值为小于3000，最佳值为小于1000。
感光材料层70的性质中包括对特定剂量的曝光(或光子)的光敏感度(sensitivity)，并且感光材料层70的性质会随着浸没流体60的进入而改变。因此，当浸没流体60逐渐进入感光材料层70时，感光材料层70对特定剂量曝光的敏感度会随着在浸没流体60中浸没时间的增加而改变(在此暂不考虑感光材料层70是否会受浸没流体60影响而膨胀)，直到浸没流体60完全扩散进入感光材料层70时达到饱和，这时，感光材料层70的敏感度不再随浸没时间的增加而改变。因此，本实用新型使用较薄的感光材料层，例如5000以下，更佳值为小于3000，最佳值则是小于1000。这样，在很短的时间内，扩散进入感光材料层70的浸没流体60即可饱和，甚至在基板80的第一区块1’曝光之前就已达到饱和。由于饱和后每一区块上感光材料层70的敏感度不再改变，因此可以确保每一区块86所需曝光量的一致性。当区块86上的感光材料70被曝光后，使用显影液，例如四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液，将感光材料70被曝光的部份溶解。
图6所示的是用来减少感光材料层膨胀问题的另一种技术。该技术在感光材料层70的上表面多加一层阻障层90(barrierlayer)。阻障层90的作用是限制浸没流体60扩散进入感光材料层70内，而该阻障层90可以是光敏材料，也可以是非光敏材料。在本实用新型的一个较佳实施例中，阻障层90包含疏水性材料，从而使其具有疏水性表面，避免过量的水(作为浸没流体60)经由阻障层90渗入感光材料层70中。
在本实用新型的另一较佳实施例中，阻障层90可以由感光材料层70自身形成，例如对感光材料层70进行处理或对感光材料层70的表面做处理。处理方式可以是化学处理，如在等离子环境、氧化环境或任何其他化学环境中对感光材料的表面进行曝光；也可以采用离子植入方式处理；还可以是热处理，如在惰性环境下进行加热。综合上述，形成阻障层90的目的是用来降低感光材料所需的厚度，进而减少膨胀程度。
此外，值得注意的是，本实用新型所述的浸没式光刻系统还可以包含其它已知的适用于浸没式光刻技术的作法，例如，浸没式光刻系统可以在最外层透镜和被曝光部分的晶圆之间用浸没流体来浸没，或者将整片晶圆浸没在浸没流体中，或者将整个基台都浸没在浸没流体中。
本实用新型所述的浸没式光刻技术，使感光材料层70具有一致性的技术是利用可迅速达到最后膨胀厚度df的光阻材料。当该光阻材料浸没于浸没流体60时，可立刻膨胀至最大值，然后进行曝光。
从使感光材料层70达到最佳一致性的角度看，最适用的感光材料层70应该不受浸没流体60的影响而膨胀(或膨胀的幅度很小)，例如使用阻障层；或者，感光材料层70应该能在浸没流体60的影响下很快膨胀至饱和，例如使用具有高渗透性或厚度较小的感光材料。
虽然本实用新型已通过较佳实施例说明如上，但该较佳实施例并非用以限定本实用新型。本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种更改和补充，因此本实用新型的保护范围以权利要求书的范围为准。
附图中符号的简单说明如下
10浸没式光刻技术系统 71介面20影像光源 75扩散前缘21光能量束 79扩散方向22透镜 80半导体元件基板30遮罩 85支撑台座40光学元件模块 86区块51光学表面 90阻障层50最外层透镜 di起始厚度60浸没流体 d2厚度61浸没流体的上表面 df最后厚度70感光材料 M1第一材料70a较厚感光材料 M2第二材料70b较薄感光材料 M3第三材料
权利要求1.一种浸没式光刻系统，其特征在于该浸没式光刻系统包含一个支撑台座；一个半导体元件基板，配置于所述支撑台座上，该半导体元件基板的上表面具有一层感光材料层，该感光材料层的厚度不大于5000；一个光学表面；以及一层浸没流体配置于所述感光材料层和光学表面之间，其中该浸没流体与所述感光材料层的上表面接触。
2.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述浸没流体包含水。
3.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述浸没流体是全氟聚醚、环辛烷或上述两种物质的混合物。
4.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述感光材料层的厚度不大于3000。
5.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述感光材料层的厚度不大于1000。
6.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述光学表面包含氧化硅。
7.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述光学表面包含熔硅。
8.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述光学表面包含氟化钙。
9.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述感光材料层包含化学增幅型光阻。
10.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述半导体元件基板浸没在所述浸没流体中。
11.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述支撑台座浸没在所述浸没流体中。
12.根据权利要求1所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述浸没式光刻系统还包括一个用来曝光所述感光材料层的影像光源。
13.一种浸没式光刻系统，其特征在于该浸没式光刻系统包含一个波长小于或等于193纳米的影像光源；一个具有一光学表面的光学部件，该光学部件配置于所述影像光源的下面，使得从所述影像光源射出的光照射并穿越该光学部件；一个半导体元件基板，该半导体元件基板的上表面具有一层感光材料层，该感光材料层的厚度不大于5000，且穿越所述光学部件的光照射于该半导体元件基板上；以及一层浸没流体配置于所述感光材料层和光学表面之间，其中该浸没流体与所述感光材料层的上表面和所述光学表面的下表面接触。
14.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述感光材料层的厚度不大于3000。
15.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述感光材料层的厚度不大于1000。
16.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述光学表面包含氧化硅。
17.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述光学表面包含熔硅。
18.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述光学表面包含氟化钙。
19.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述感光材料层包含化学增幅型光阻。
20.根据权利要求13所述的浸没式光刻系统，其特征在于所述浸没式光刻系统还包括一个配置于所述半导体元件基板下面的支撑台座。
专利摘要本实用新型提出一种浸没式光刻系统。该光刻系统由一个光学表面、一层与光学表面的一部分接触的浸没流体、以及一个上表面具有感光材料层的半导体结构组成。其中，感光材料层的部分表面与浸没流体接触，且感光材料层的厚度不大于5000。本实用新型在提高光刻系统分辨率的同时，避免了浸没流体分解感光材料，限制了感光材料层的膨胀量，因而提高了后续制造过程的准确度和成品率。
文档编号G03F7/20GK2742470SQ20042008762
公开日2005年11月23日 申请日期2004年8月11日 优先权日2003年8月11日
发明者杨育佳, 胡正明 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司